Document

SENSOR, AKTUATOR, DAN
KOMPONEN SISTEM KENDALI
LAINNYA
Leterature :
Mikell P Groover, Automation, Production Systems, and Computer-Integrated Manufacturing, Second
Edition, New Jersey, Prentice Hall Inc., 2001, Chapter 5
1
SENSOR
Terdapat berbagai peralatan ukur yang dapat digunakan
untuk mengumpulkan data proses manufaktur dalam
penggunaannya sebagai kendali umpan balik. Secara
umum peralatan ukur tersebut dibagi dalam dua
komponen, yaitu sensor dan transduser.
• Sensor, mendeteksi variabel fisik yang diinginkan
(seperti temperatur, gaya, atau tekanan);
• Transduser, menkonversikan variabel fisik ke suatu
besaran alternatif (biasanya tegangan listrik) yang
dapat diinterpretasikan sebagai nilai variabel yang
terukur.
Dalam berbagai hal, sensor dan transduser merupakan
peralatan yang sama; sebagai contoh, suatu saklar
batas (limit switch) yang mengkonversikan pergerakan
mekanik suatu tuas (lever) kehubungan tertutup kontak
listrik.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
2
Peralatan ukur
Peralatan ukur dapat diklasifikasikan atas dua katagori
dasar : (1) analog dan (2) diskrit.
•
Peralatan ukur analog akan menghasilkan signal
analog kontinu seperti tegangan listrik. Contoh :
termokopel, pengukur regangan (strain gage), dan
potensiometer. Signal output dari peralatan ukur
analog harus dikonversikan ke data digital dengan
suatu konverter analog ke digital.
•
Peralatan ukur diskrit menghasilkan suatu output
yang memiliki nilai tertentu. Peralatan sensor diskrit
pada umumnya dibagi atas dua katagori : (a) biner
atau (b) digital.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
3
Peralatan ukur diskrit :
•
Peralatan ukur biner menghasilkan suatu signal
on/off. Suatu contoh saklar batas (limit switch) dari
posisi normal terbuka (off) dioperasikan menjadi
kontak listrik tertutup (on). Contoh yang lain
sensor fotoelektrik dan saklar dekat (proxi-mity
switch).
•
Peralatan ukur digital menghasilkan signal output
digital, baik dalam bentuk suatu set parallel
status bits (mis. berkas sinar sensor fotoelektrik),
maupun dalam bentuk satu seri pulsa yang dapat
dihitung (mis. suatu enkoder optik). Pemakaian
transduser digital saat ini semakin meningkat
karena mudah dibaca bila digunakan sebagai
instrumen pengukur yang berdiri sendiri dan juga
karena kompatibilitasnya dengan sistem komputer digital.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
4
Peralatan ukur yang umum digunakan dalam otomasi
•
•
•
•
•
Aselerometer (accelerometer), peralatan analog
yang digunakan untuk mengukur vibrasi dan kejut
(shock);
Ammeter, peralatan analog yang digunakan untuk
mengukur arus listrik;
Saklar bimetal, saklar biner yang menggunakan
kumparan bimetal untuk membuka dan menutup
kontak listrik sebagai hasil dari perubahan temperatur;
DC tachometer, peralatan analog yang terdiri dari
generator dc yang menghasilkan tegangan listrik
yang berbanding lurus dengan kecepatan rotasi;
Dinamometer, peralatan analog yang digunakan
untuk mengukur gaya, daya, atau torsi, berbasis
pada berbagai fenomena fisik (mis. strain gage, efek
pisoelektrik);
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
5
•
•
•
•
•
Transduser pelampung (float transducer), pelampung yang diikatkan pada lengan tuas; Gerakan
poros lengan tuas dapat digunakan untuk mengukur
ketinggian cairan dalam bejana (peralatan analog)
atau mengaktifkan saklar kontak (peralatan biner);
Sensor aliran fluida (fluid flow sensor), peralatan
analog untuk mengukur aliran fluida, biasanya
berbasis pada perbedaan tekanan aliran fluida
dalam dua pipa dengan diameter yang berbeda;
Saklar aliran fluida (fluid flow switch), saklar biner
sejenis dengan saklar batas tetapi diaktifkan oleh
peningkatan tekanan fluida;
Ohmmeter, peralatan analog untuk mengukur
tahanan listrik;
Enkoder optik (optical encoder), peralatan digital
yang digunakan untuk mengukur posisi dan/atau
kecepatan, terdiri dari piringan slot yang memisahkan sumber cahaya dari fotosel.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
6
Contoh pemakaian sensor / transduser sebagai
pembatas ketinggian air pada tangki :
F
W1
W2
• Kedua pelampung mendeteksi ketinggian air pada limit atas dan
limit bawah  berfungsi sebagai
M
sensor;
• Seluruh sistem berfungsi untuk
Transduser mengkonversikan daya mekanik
menjadi daya listrik  berfungsi
sebagai transduser, dengan konLimit
disi sebagai berikut :
atas
Sensor
(1) Tinggi air pada limit bawah
(pelampung)
F < (W1 + W2)  Motor ON
(2) Tinggi air pada limit atas
Tangki
air
W1 + W2 = 0 & F> 0  Motor OFF
Limit
(3) Tinggi air diantara limit atas
bawah
dan bawah
F = W1  Sama dengan kondisi
motor sebelumnya
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
7
AKTUATOR
• Dalam sistem kendali industri, aktuator adalah
peralatan piranti keras yang mengkonversikan signal
perintah kontroler ke dalam parameter fisik;
• Perubahan dalam parameter fisik biasanya mekanik,
seperti misalnya posisi atau perubahan kecepatan;
• Suatu aktuator adalah transduser, karena ia merubah
satu jenis besaran fisik, misalnya arus listrik, ke
dalam besaran fisik yang lain, misalnya kecepatan
rotasi motor listrik;
• Signal perintah dari kontroler biasanya level rendah,
sehingga suatu aktuator bisanya dilengkapi dengan
penguat (amplifier) untuk memperkuat signal agar
dapat digunakan untuk menjalankan aktuator.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
8
Klasifikasi aktuator
Berdasarkan jenis penguat yang digunakan, aktuator
dapat diklasifikasikan dalam tiga katagori :
•
Aktuator listrik, termasuk peralatan linear (output
bergeser secara linear) dan peralatan rotasi (output
bergeser secara rotasi).
•
Aktuator hidrolik, menggunakan fluida untuk memperkuat signal perintah kontroler dengan gerakan
linear atau rotasi. Aktuator hidrolik digunakan bila
gaya yang dibutuhkan besar.
•
Aktuator peneumatik, menggunakan tekanan udara
sebagai daya penggerak. Sama seperti aktuator
yang lain, gerakan yang dihasilkan dapat berupa
gerakan linear atau rotasi. Karena tekanannya
relatif rendah dibandingkan dengan aktuator
hidrolik, maka aktuator ini hanya dapat digunakan
secara terbatas.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
9
Aktuator yang sering digunakan dalam sistem
terotomasi
•
•
•
•
Motor dc, motor elektromagnetik putar dengan catu
daya arus searah (dc), banyak digunakan sebagai
servomotor dalam sistem kendali. Gerakan memutar dapat dikonversikan ke dalam gerakan linear
dengan menggunakan ulir pengarah.
Piston hidrolik, piston didalam silinder mendesakkan gaya dan menghasilkan gerakan linear sebagai
respon dari tekanan hidrolik. Digunakan untuk gaya
yang besar.
Motor induksi rotari, motor elektromagnetik putar
dengan catu daya arus bolak-balik (ac). Dibandingkan dengan motor dc memiliki beberapa kelebihan,
yaitu : lebih murah, konstruksi lebih sederhana, dan
catu daya ac lebih mudah diperoleh.
Motor induksi linear, motor elektromagnetik gerakkan lurus dengan catu daya arus bolak-balik (ac).
Kelebihannya : lebih cepat, akurasi penempatan
lebih baik, dan kapasitas pukulan lebih panjang.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
10
•
•
•
•
Silinder peneumatik, piston didalam silinder mendesakkan gaya dan menghasilkan gerakan linear
sebagai respon tekanan udara.
Saklar relai (relay switch), saklar on/off membuka
atau menutup rangkaian listrik sebagai respon
suatu gaya elektromagnitik.
Solenoid, rakitan elektromagnetik dengan dua
posisi, terdiri dari inti di dalam kumparan kawat.
Inti pada umumnya ditahan pada satu posisi dengan
menggunakan per, tetapi bila kumparan diberi catu
daya, inti ditekan ke posisi yang lain. Solenoid
linear lebih banyak digunakan daripada solenoid
putar.
Motor langkah (stepping motor), merupakan motor
elektromagnetik putar. Putaran jarum output
berbanding lurus dengan pulsa yang diterima.
Keunggulan dari peralatan ini adalah akurasinya
tinggi dan implementasinya mudah. Kelemahannya
torsinya lebih rendah dibandingkan dengan motor
dc, dan kecepatannya terbatas.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
11
KONVERSI
ANALOG
KE DIGITAL
Prosedur untuk mengkonversikan signal analog ke dalam
bentuk digit pada umumnya melalui suatu tahapantahapan piranti keras berikut ini (lihat gambar) : (1)
sensor dan transduser, (2) pengkondisian signal, (3)
multiplekser, (4) penguat, (5) konverter analog ke digital.
Process
(1) Sensor and
transduser
(5) ADC
Digital
input to
computer
(2) Signal
conditioning
Other signals
(4) Amplifier
(3)Multiplexer
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
12
Peralatan konversi analog ke digital
•
•
•
•
•
Sensor dan transduser, adalah peralatan ukur yang
menghasilkan signal analog.
Pengkondisian signal (signal conditioning); Signal
analog kontinu yang dihasilkan transduser membutuhkan pengkondisian untuk merubahnya ke dalam
bentuk yang lebih sesuai. Tahapan pengkondisian
signal umumnya meliputi (a) penyaringan (filtering)
untuk menghilangkan gangguan (noise), dan (b)
konversi dari satu bentuk signal ke bentuk signal
yang lain, mis. pengkonversian arus ke tegangan.
Multiplekser adalah peralatan saklar (switching
device) yang dihubungkan dalam rangkaian seri
dengan setiap saluran masuk dari proses.
Penguat (amplifier) digunakan untuk menselaraskan
signal masuk (naik atau turun) dengan konverter
analog ke digital (analog to digital converter, ADC).
Konverter analog ke digital (ADC), berfungsi untuk
mengkonversikan signal analog ke dalam bentuk
digital sehingga kompatibel dengan komputer.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
13
Konversi analog ke digital terjadi dalam tiga fase : (1)
sampling, (2) kuantisasi (quantization), (3) pengkodean
(encoding).
Analog signal
Variable
Discrete
sampled signal
Time
•
•
•
Sampling, terdiri dari pengkonversian signal kontinu
ke dalam seri signal diskrit pada interval periodik.
Kuantisasi, setiap signal analog diskrit dijadikan
satu bilangan hingga yang ditentukan dari level
amplitudenya.
Pengkodean; Level amplitude diskrit yang diperoleh
selama kuantisasi dikonversikan kedalam kode
digital.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
14
KONVERSI
DIGITAL KE ANALOG
• Proses yang dilakukan dalam konversi digital ke
analog (digital to analog converter, DAC) merupakan
kebalikan dari proses ADC:
• DAC mentransformasikan output digital komputer ke
dalam signal kontinu untuk menjalankan aktuator
analog atau peralatan analog yang lain;
• Konversi digital ke analog terdiri dari dua tahapan :
•
•
decoding, output digital dari komputer dikonversikan ke dalam seri nilai analog pada saat diskrit;
data holding, setiap nilai tersebut dirubah ke
dalam signal kontinu (biasanya tegangan listrik)
digunakan untuk menjalankan aktuator analog
selama interval sampling.
OTOMASI SISTEM PRODUKSI
15